海洋飞沫对海-气界面动力学影响研究

摘要

海洋飞沫由海面上形成的微小水滴组成，是在大气边界层中大气与海洋相互作用的过程中产生的。海洋飞沫水滴在海洋和大气之间的动量、热量和湿度传递中起着重要的作用。台风的研究必须考虑飞沫的反馈作用才能达到与观测相符的强度。对飞沫的研究以及其对海-气相互作用贡献的了解在恶劣天气预报、风险评估、波浪和涌浪预报、海洋工程和运输安全方面都极为重要。
　　本文基于已有的研究和观测资料，讨论了海洋飞沫的生成机制，以及不同作者给出的飞沫生成函数，分析了风海雷诺数描述的飞沫生成函数的可靠性，并将之用于融入飞沫动量通量公式，计算飞沫的动量。在此基础上推导出高风速下飞沫应力和阻力系数的新公式。新修正公式的计算结果表明，波浪状态对飞沫应力和海面阻力系数有显著影响。经过分析，波龄是另一个用波浪状态描述的阻力系数的重要参数，阻力系数会随着波龄的增加而减小。
　　本文还描述了海洋中海洋飞沫粒子数值模拟的结果。首先，总结了关于飞沫运动和微物理过程。然后利用大涡模拟方法模拟了海面空气流动，用Lagrange法模拟了单个颗粒在流场中的运动，基于流体-颗粒的双向耦合机制，讨论了颗粒在流场中的动量弛豫时间、悬浮时间，粒子的速度与风速的关系以及粒子对风速的影响。这种简化的模型可以说明飞沫粒子对海气动量传输的贡献不可忽视。液滴的存在改变了海-气界面的接触状态。特别是在高风速时，混合层的液滴数和厚度都达到一定的量级，这将改变海洋和大气的摩擦状态。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外相关研究进展

1．2．1 海洋飞沫的观测

1．2．2 海洋飞沫生成函数

1．2．3 海洋飞沫的动力学效应

1．3 本文研究内容

2 海洋飞沫的生成

2．1 海洋飞沫的生成机制

2．1．1 膜滴

2．1．2 射滴

2．1．3 裂滴

2．1．4 其它生成机制

2．2 海洋飞沫生成函数

2．3 本章小结

3 飞沫对海气界面动量通量影响的参数化分析

3．1 海面动力粗糙长度的参数化方案

3．2 海面应力与飞沫应力参数化分析

3．3 海面阻力系数的参数化方案

3．4 本章小结

4 海洋飞沫粒子的数值模拟

4．1 控制方程

4．1．1 离散粒子的控制方程

4．1．2 连续相流体的控制方程

4．2 飞沫粒子的质量和温度方程

4．2．1 飞沫粒径变化

4．2．2 飞沫温度变化方程

4．3 数值模拟分析

4．4 本章小结

5 总结与展望

5．1 主要结论及创新点

5．2 课题展望

参考文献

作者简历及在校期间获得的科研成果